Оптика (стр. 2 из 4)
Рис.6.
Любой луч, упавший на зеркало через центр сферы (угол падения равен нулю), отразившись, пойдет по тому же направлению. Существует только одна точка О, удовлетворяющая этому условию. Она называется оптическим центром зеркала. Все прямые, проходящие через оптический центр, - оптические оси зеркала. Одна из оптических осей проходит через полюс С зеркала, это главная оптическая ось. Остальные оптические оси – побочные.
Пусть на зеркало в точку N падает луч, параллельный главной оптической оси. NO – радиус и, следовательно, перпендикуляр к сфере. Построив угол отражения равным углу падения, получим отраженный луч NF. Углы падения i и NOF равны, как внутренние накрест лежащие при параллельных прямых и секущей. Следовательно, треугольник NOF – равнобедренный, и ׀NF׀=׀FO׀.
Проведем дугу NK радиусом FN. Точка пересечения дуги с главной оптической осью не совпадает с точкой С, но близка к ней. Отрезок ׀СК׀ тем меньше, чем ближе SN к главной оптической оси. Ограничимся только параксиальными (приосевыми) пучками, с тем чтобы можно было считать пренебрежимо малым отрезок ׀СК׀«׀CF׀. Для таких пучков ׀CF׀=׀NF׀=׀FO׀, и точка F для всех параксиальных лучей лежит посередине радиуса СО. Эта точка называется главным фокусом зеркала (разумеется, есть фокусы и на всех остальных оптических осях – побочные). Итак, главный фокус вогнутого зеркала – точка, в которой после отражения пересекутся все параксиальные лучи, падающие параллельно главной оптической оси.
Аналогичные рассуждения и построения приведут нас к понятию мнимого главного фокуса выпуклого зеркала (рис.7). Расстояние от зеркала до главного фокуса называется фокусным расстоянием и обозначается F. Можно доказать, что все падающие из одной точки лучи после отражения от вогнутого зеркала проходят через одну точку – изображение (доказать это можно хотя бы построением; из-за приблизительности условия параксиальности это, конечно, не совсем точка, а небольшое пятно, для выпуклого зеркала – это точка пересечения продолжений всех отраженных лучей). Для построения такой точки достаточно каких-нибудь двух лучей. Луч, падающий параллельно главной оптической оси, после отражения пройдет через главный фокус (или продолжение отраженного луча пройдет через главный фокус – для выпуклого зеркала). По закону обратимости, луч, падающий через главный фокус, после отражения пойдет параллельно главной оптической оси. Наконец, луч, падающий через центр сферы, отразится по тому же направлению.
Рис.7.
При построении изображения точки в вогнутом зеркале (рис.8) намечают точки O, F, C, затем строят любые два из трех перечисленных лучей. Через точку пересечения отраженных лучей S1 пройдут и все остальные отраженные лучи – она является действительным изображением точки S. Построение изображения в выпуклом зеркале аналогично.
Рис.8.
Построим изображение предмета АВ в вогнутом зеркале (рис.9). Изображение А1 находим, как на рис.8. Построение изображения точки, расположенной на главной оптической оси, осуществляется так: проводим произвольный луч ВМ и параллельно ему соответствующую побочную ось OD; на середине расстояния OD расположен побочный фокус F1, через который пройдет отраженный от точки М луч. В качестве второго луча удобно выбрать луч, идущий вдоль главной оптической оси. Точка пересечения двух отраженных лучей – изображение В1.
Рис.9.
Обозначим расстояние от зеркала до предмета d=׀СВ׀; расстояние от зеркала до изображения f=|СB1|; фокусное расстояние F=׀CF׀≈׀KF׀. Из подобия треугольников А1В1F и NKF следует равенство
|A1B1|/|AB|=(f – F)/F;
аналогично, из подобия треугольников А1В1О и АВО
|A1B1|/|AB|=(2F – f)/(d – 2F).
Отсюда (f – F)/F=(2F – f)/(d – 2F).
2F2 – Ff=fd – Fd – 2Ff + 2F2
fF + Fd=fd
Разделим это уравнение на произведение Ffd:
(4) 
Рис.10.
Мы получили формулу зеркала. Ее можно применять и к выпуклому зеркалу. Аналогичное построение для выпуклого зеркала (рис. 10) показывает, что если предмет расположен перед зеркалом (d>0), то изображение расположено по другую сторону зеркала (f<0) и фокус находится за зеркалом (F<0). Если взять все величины по модулю, то формула выпуклого зеркала примет вид
или 
.Это же выражение можно получить из подобия треугольников на рис. 10.
Линейным увеличением зеркала называется отношение линейных размеров изображения и предмета:
k = |A1B1|/|AB|.
Это отношение из подобия треугольников NKF и FA1B1 (рис. 9):
.Следовательно, линейное увеличение
. (5)Исследуем формулу вогнутого зеркала. Для этого найдем из нее расстояние от изображения до зеркала:
.1.Пусть предмет расположен в бесконечности, то есть от него идут только лучи, параллельные главной оптической оси. Тогда d = ∞,
.Изображение в главном фокусе, действительное, уменьшенное (точка).
2. Предмет на конечном расстоянии за центром сферы: 2F < d < ∞. Тогда
.Изображение между центром и фокусом зеркала, действительное, обратное, уменьшенное.
4. Предмет между фокусом и центром зеркала: F < d < 2F. Значит,
.Изображение действительное, обратное, увеличенное, расположено за центром зеркала.
5. Предмет в фокусе: d = F. Тогда
.Изображение в бесконечности (отраженные лучи параллельны).
6. Предмет между фокусом и зеркалом: d < F. Следовательно,
.Изображение мнимое, прямое, увеличенное, расположено за зеркалом.
Как видно на рис. 10, в выпуклом зеркале всегда изображение мнимое, прямое, уменьшенное.
Вогнутые зеркала широко применяются в технике. С их помощью концентрируют энергию Солнца в гелионагревательных установках, их используют в качестве рефлекторов (отражателей) в телескопах, прожекторах, фарах, нагревателях и т.п. Правда, чаще используют вогнутые зеркала несферической формы. Выпуклые зеркала находят применение в качестве зеркал заднего обзора на транспорте.
§4. Линзы.
Посмотрим на рис. 11,а и мысленно отрежем нижнюю и верхнюю части призмы, не подходя близко к точкам преломления M и N (рис. 11,б). Для данного луча ничего не изменится, только теперь усеченная призма имеет два основания – большее и меньшее (а не верхнее и нижнее – это несущественно). Дважды преломляясь на гранях усеченной призмы, луч оба раза отклоняется в сторону большего основания (если призма сделана из материала, оптически более плотного, чем окружающая среда).
Рис.11,а. Рис.11,б.
Рис.12.
Сконструируем систему призм, как показано на рис. 12, и направим на нее параллельный пучок лучей. Не входя в подробности преломления, мы знаем его результат. Лучи, пройдя через призмы, отклоняются в сторону больших оснований, а так как такие основания расположены ближе к оси пучка, параллельные лучи соберутся в какое-то пятно около оси. Не надо думать, что они соберутся в точку, но сам факт сближения лучей должен быть понятен. Такая собирательная система помимо сложности изготовления и использования имеет принципиальный недостаток – много лучей проходит между призмами, не преломляясь. Можно заполнить промежутки, одновременно упростив конструкцию, если взять кусок стекла и отшлифовать его по сферическим поверхностям. Такие сферические стекла или линзы широко применяются в оптике. Сферическое стекло – отшлифованная стеклянная пластина, ограниченная сферическими или плоскими поверхностями. Середина такой линзы практически представляет собой плоскопараллельную пластинку. Лучи, идущие под углом, отличным от нуля, в такой пластинке смещаются. Но это смещение будет пренебрежимо малым, если ограничиться параксиальными лучами и сделать линзу достаточно тонкой. Тогда любой луч (из выбранных параксиальных) пройдет через точку O (рис. 13), практически не отклоняясь. Точка, через которую лучи проходят, не отклоняясь, называется оптическим центром линзы.
Все прямые, проходящие через оптический центр, – оптические оси. Одна из оптических осей, проходящих и через центр сферической поверхности, называется главной (ограничимся случаем центрированных систем, в которых центры кривизны всех поверхностей лежат на одной прямой). Остальные оптические оси – побочные.
Рис.13. Рис.14.
Параллельный пучок лучей (естественно, параллельный и одной из оптических осей, рис.13) после преломления в данной линзе собирается приблизительно в одной точке, называемой действительным фокусом. Такие линзы называются собирающими. Как мы видели, собирающими будут выпуклые линзы (у которых середина толще краев), если они сделаны из материала, оптически более плотного, чем окружающая среда. Параллельный пучок лучей после преломления в линзе может рассеиваться (рис.14), тогда в одной точке, называемой мнимым фокусом, соберутся продолжения этих лучей. Такие линзы называются рассеивающими. Сделанные из материала, оптически более плотного, чем окружающая среда, они вогнуты (середина тоньше краев). Если линзы сделаны из материала оптически менее плотного, чем окружающая среда (например, пустотелые линзы в воде), собирающими будут вогнутые, а рассеивающими – выпуклые. Все фокусы, расположенные по одну сторону линзы, лежат в одной плоскости, перпендикулярной главной оптической оси и проходящей через главный фокус. Она называется фокальной плоскостью.